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红外辐射在大气中的传输--LOWTRAN7介绍
发布时间:2014-10-24 09:51:14点击数:
LOWTRAN 、MODTRAN和FASCODE的输入方式有许多相似之处,在此,给出一个计算实例的全部输入数据,并对主要其物理意义作一说明。
LOWTRAN7规定了六种大气模型,每种模型有对应的大气压力、温度随高度的分布关系。这样,CO2、N2O、CH4、CO等混合比不变的吸收气体的密度也就确定了。由于水蒸气、臭氧是大气中的可变成分,每一种模型单独规定了水蒸气密度以及臭氧密度的高度分布。LOWTRAN7规定的六种大气模型是:
a) 1976年美国“标准”大气:1976年,由美国制定,用中纬度平均值表示; 红外线测温仪
b) 赤道: 北纬15°;
c) 中纬度夏天: 北纬45°,7月;
d) 中纬度冬天: 北纬45°,1月;
e) 亚北极夏天: 北纬60°,7月;
f) 亚北极冬天: 北纬60°,1月;
模型大气不是按等高度分层的,0至25公里,按1公里分层,25至50公里,按5公里分层。 这六种模型的温度、压力随高度的分布见图。
用户也可以自定义大气模型,另行输入温度和气压的高度分布参数,或水蒸汽、臭氧等气体的高度分布参数。红外线测温仪
2)大气路径类型
影响大气辐射传输的不仅仅是路径长度,还有路径的类型,包括:
-水平路径:恒压路径,需输入起始高度和路径;
-倾斜路径:可输入起始高度/终止高度/天顶角;或起始高度/天顶角/斜程,或起始高度/终止高度/斜程
-倾斜路径至空间:可输入起始高度/天顶角。
3)运行模式
LOWTRAN7有四种运行模式:
-计算路程透过率;
-计算路程辐亮度和路程透过率;
-计算大气辐亮度和太阳、月亮辐射的单次散射;
-计算直接透射的太阳辐照度。
系统所接收到的辐射一部分是直接透射的能量,另一部分来自路径辐射。路径辐亮度是辐射传输过程中不断地被各层大气所吸收并且再次辐射而产生的,路径辐射使系统接收到的能量增加,降低了目标对比度,它对热红外波段的影响尤为明显。 红外线测温仪
为便于理解路径辐射的形成,假设整个路径可分为3个均匀的大气层。如由地面对天观察,则认为天空、云层是边界层。如果不考虑散射损失,并忽略天空、云层的热辐射,则从地面观察到的路径的辐亮度I(v),即天空的光谱辐射亮度为:
每一层大气对路径辐亮度的贡献取决于该层的温度以及光谱吸收率(即比辐射率)。
同样,我们可分析从空间观察到的地表的光谱辐射亮度,此时边界层为地表,其辐射不可忽略。
可以看出,空间仪器对地观察时接收到的能量,包括了直接透过的地表热辐射和各层大气的灰体辐射的总和。由前三项构成的路径辐射将在仪器获得的目标图像上叠加一个较为均匀的背景。红外线测温仪
LOWTRAN7根据设定的大气模型,可将大气分为N层,沿视线对辐射亮度进行数值积分,得到大气辐射所贡献的部分。另外,计算中也考虑了各层大气散射的影响。
0~2公里的边界层的气溶胶受地理/天气条件影响较大,农村、都市、海洋和沙漠的气溶胶的组分和分布有明显的差异。例如:都市环境的气溶胶含有较多燃烧和工业源的生成物。海面的气溶胶含海水喷沫蒸发后产生的盐颗粒,在高湿度环境下水汽凝结在盐颗粒上又增加了它的尺寸。
2~10公里的对流层的气溶胶对当地的地表资源就不太敏感,与空气特别清澈的地表情况相仿。在10~30公里的同温层,气溶胶呈全球均匀分布,只有一些光化学反应产生的硫酸盐颗粒,相当于无大颗粒的农村模型。同温层的气溶胶也称作背景气溶胶。影响同温层气溶胶分布和性质的主要因素不是地理条件、天气的变化,而是季节的变化。更高的上层大气只有一些流星灰。
LOWTRAN7规定了11种气溶胶模型,每类模型规定了缺省的气象距离。
1) 无气溶胶衰减;
2) 农村,缺省能见度23公里;
3) 农村,缺省能见度5公里;
4) 近海(Navy Maritime);
5) 海洋,缺省能见度23公里;
6) 都市,缺省能见度5公里;
7) 对流层,缺省能见度50公里;
8) 用户自定义,缺省能见度23公里;
9) 薄雾,缺省能见度0.5公里;
10)浓雾,缺省能见度0.2公里;
11)沙漠;
大部分气溶胶模型主要根据地理环境定义的,少部分模型与天气有关,如规定了两种典型的雾。一种是浓雾,能见度0.2公里,它是不同温度和/或不同湿度的气团混杂产生的,称为对流雾(Advection)。另一种是轻雾,能见度为0.5公里,是空气温度降到露点后生成的,也称辐射雾(Radiation)。 红外线测温仪
为更精确计算气溶胶衰减,有必要在气溶胶模型的基础上作修正,包括:
1)气溶胶模型的季节修正;
2)气象距离修正
气象距离是湿度的函数,对气溶胶的吸收和散射影响很大。LOWTRN7的1号卡中的“边界层的表面范围”指的就是气象距离。虽然,气象距离.、能见度都能用来表达视觉上的“能见”程度,它们是两个不同的概念。能见度是以人眼对亮背景下黑目标或暗背景下亮目标的判断为准则的,它带有较大的主观因素。而气象距离有定量的定义,在0.55微米处,气象距离与衰减系数关系可表示为:
气象距离=3.912/衰减系数
由于能见度比较容易获得,LOWTRAN计算时,气象距离可按下式近似换算,其近似误差约25%。
气象距离=1.3x能见度
3)地面的海拔高度
基本输入参数
1)大气模型LOWTRAN7规定了六种大气模型,每种模型有对应的大气压力、温度随高度的分布关系。这样,CO2、N2O、CH4、CO等混合比不变的吸收气体的密度也就确定了。由于水蒸气、臭氧是大气中的可变成分,每一种模型单独规定了水蒸气密度以及臭氧密度的高度分布。LOWTRAN7规定的六种大气模型是:
a) 1976年美国“标准”大气:1976年,由美国制定,用中纬度平均值表示; 红外线测温仪
b) 赤道: 北纬15°;
c) 中纬度夏天: 北纬45°,7月;
d) 中纬度冬天: 北纬45°,1月;
e) 亚北极夏天: 北纬60°,7月;
f) 亚北极冬天: 北纬60°,1月;
表1.7 LOWTRA7大气传输计算输入数据
图1.36 六种大气模型大气温度的高度分布
图1.37 六种大气模型大气压强的高度分布
用户也可以自定义大气模型,另行输入温度和气压的高度分布参数,或水蒸汽、臭氧等气体的高度分布参数。红外线测温仪
2)大气路径类型
影响大气辐射传输的不仅仅是路径长度,还有路径的类型,包括:
-水平路径:恒压路径,需输入起始高度和路径;
-倾斜路径:可输入起始高度/终止高度/天顶角;或起始高度/天顶角/斜程,或起始高度/终止高度/斜程
-倾斜路径至空间:可输入起始高度/天顶角。
3)运行模式
LOWTRAN7有四种运行模式:
-计算路程透过率;
-计算路程辐亮度和路程透过率;
-计算大气辐亮度和太阳、月亮辐射的单次散射;
-计算直接透射的太阳辐照度。
系统所接收到的辐射一部分是直接透射的能量,另一部分来自路径辐射。路径辐亮度是辐射传输过程中不断地被各层大气所吸收并且再次辐射而产生的,路径辐射使系统接收到的能量增加,降低了目标对比度,它对热红外波段的影响尤为明显。 红外线测温仪
为便于理解路径辐射的形成,假设整个路径可分为3个均匀的大气层。如由地面对天观察,则认为天空、云层是边界层。如果不考虑散射损失,并忽略天空、云层的热辐射,则从地面观察到的路径的辐亮度I(v),即天空的光谱辐射亮度为:
每一层大气对路径辐亮度的贡献取决于该层的温度以及光谱吸收率(即比辐射率)。
同样,我们可分析从空间观察到的地表的光谱辐射亮度,此时边界层为地表,其辐射不可忽略。
可以看出,空间仪器对地观察时接收到的能量,包括了直接透过的地表热辐射和各层大气的灰体辐射的总和。由前三项构成的路径辐射将在仪器获得的目标图像上叠加一个较为均匀的背景。红外线测温仪
LOWTRAN7根据设定的大气模型,可将大气分为N层,沿视线对辐射亮度进行数值积分,得到大气辐射所贡献的部分。另外,计算中也考虑了各层大气散射的影响。
气溶胶参数
LOWTRAN7的1号卡输入与散射有关的气溶胶模型及相关参数。0~2公里的边界层的气溶胶受地理/天气条件影响较大,农村、都市、海洋和沙漠的气溶胶的组分和分布有明显的差异。例如:都市环境的气溶胶含有较多燃烧和工业源的生成物。海面的气溶胶含海水喷沫蒸发后产生的盐颗粒,在高湿度环境下水汽凝结在盐颗粒上又增加了它的尺寸。
2~10公里的对流层的气溶胶对当地的地表资源就不太敏感,与空气特别清澈的地表情况相仿。在10~30公里的同温层,气溶胶呈全球均匀分布,只有一些光化学反应产生的硫酸盐颗粒,相当于无大颗粒的农村模型。同温层的气溶胶也称作背景气溶胶。影响同温层气溶胶分布和性质的主要因素不是地理条件、天气的变化,而是季节的变化。更高的上层大气只有一些流星灰。
LOWTRAN7规定了11种气溶胶模型,每类模型规定了缺省的气象距离。
1) 无气溶胶衰减;
2) 农村,缺省能见度23公里;
3) 农村,缺省能见度5公里;
4) 近海(Navy Maritime);
5) 海洋,缺省能见度23公里;
6) 都市,缺省能见度5公里;
7) 对流层,缺省能见度50公里;
8) 用户自定义,缺省能见度23公里;
9) 薄雾,缺省能见度0.5公里;
10)浓雾,缺省能见度0.2公里;
11)沙漠;
大部分气溶胶模型主要根据地理环境定义的,少部分模型与天气有关,如规定了两种典型的雾。一种是浓雾,能见度0.2公里,它是不同温度和/或不同湿度的气团混杂产生的,称为对流雾(Advection)。另一种是轻雾,能见度为0.5公里,是空气温度降到露点后生成的,也称辐射雾(Radiation)。 红外线测温仪
为更精确计算气溶胶衰减,有必要在气溶胶模型的基础上作修正,包括:
1)气溶胶模型的季节修正;
2)气象距离修正
气象距离是湿度的函数,对气溶胶的吸收和散射影响很大。LOWTRN7的1号卡中的“边界层的表面范围”指的就是气象距离。虽然,气象距离.、能见度都能用来表达视觉上的“能见”程度,它们是两个不同的概念。能见度是以人眼对亮背景下黑目标或暗背景下亮目标的判断为准则的,它带有较大的主观因素。而气象距离有定量的定义,在0.55微米处,气象距离与衰减系数关系可表示为:
气象距离=3.912/衰减系数
由于能见度比较容易获得,LOWTRAN计算时,气象距离可按下式近似换算,其近似误差约25%。
气象距离=1.3x能见度
3)地面的海拔高度